Leitfähige Thermoplasttypen – Ersatz für metallische Werkstoffe in technischen Konstruktionen, 3. Teil

Ihre Vorteile sind, ähnlich wie bei praktisch allen Spritzgussteilen aus Thermoplasten, eine größere Gestaltungsfreiheit in Verbindung mit der Spritzgießtechnologie, die Möglichkeit, neue, eigene Lösungen mit Synergieeffekten zu entwickeln - Funktionsintegration, ein praktisch gleiches Wärmeübertragungssystem wie bei metallischen Werkstoffen, eine Verringerung des Konstruktionsgewichts, Recyclingfähigkeit, ein Umweltvorteil - sie korrodieren nicht, eine Steigerung der Fertigungseffizienz und der Wegfall notwendiger zusätzlicher Arbeitsschritte wie beispielsweise Lackieren, Bohren usw. sowie eine Senkung der gesamten Fertigungskosten gegenüber Lösungen aus Metall.

Einer der nicht zu vernachlässigenden Vorteile von Konstruktionen aus wärmeleitfähigen Werkstoffen ist die Möglichkeit, lokale Überhitzung zu beherrschen - zu reduzieren - Hot Spot Reduction.

Wärmeleitfähige Werkstoffe mit thermoplastischer Matrix werden sowohl in elektrisch leitfähiger als auch in elektrisch nichtleitender Ausführung hergestellt, mit der Möglichkeit einer zusätzlichen Additivierung - UV-Stabilisierung, Flammschutz, Einfärbung usw. Der Einsatztemperaturbereich wird durch die Temperaturbeständigkeit der verwendeten Matrix bestimmt.

Bei der Konstruktion von Spritzgussteilen aus wärmeleitfähigen Granulaten müssen alle drei Komponenten der Wärmeabfuhr berücksichtigt werden - Wärmeleitung - Konduktion, Wärmeströmung - Konvektion und Wärmestrahlung - Radiation. Die Wärmeabfuhr durch Wärmeleitung ist von allen drei Komponenten die schnellste, die Konvektion erhöht die Wirksamkeit wärmeleitfähiger Werkstoffe, und die Strahlung wird aufgrund ihres geringen Anteils üblicherweise vernachlässigt.  

Das Unternehmen PolyOne veröffentlichte eine Fallstudie zum Einsatz eines wärmeleitfähigen Kunststoffs anstelle des herkömmlich verwendeten Aluminiums in einer Leuchte eines Personenkraftwagens mit folgenden Ergebnissen:

 - Gewichtsreduzierung - 37 %
 - Senkung der Fertigungskosten - mehr als 25 %
 - gesamte Kosteneinsparung pro Bauteil - 35 %.

Beispiele für wärmeleitfähige Werkstoffe

www.barlogplastics.de

Handelsname -  KEBABLEND/TC:

 - wärmeleitfähig und elektrisch leitfähig, nicht selbstverlöschend
 - Matrix - PP, PA, POM, TPE
 - Füllstoff - Metallpulver, Metallfasern, Kohlenstofffasern
 - Wärmeleitfähigkeit bis zu 10 W/mK

 - wärmeleitfähig, elektrisch nichtleitend
 - selbstverlöschend - Matrix - PPS, PET FR
 - nicht selbstverlöschend - Matrix. PP, PA, TPE
 - Füllstoff - Keramikpulver
 - Wärmeleitfähigkeit bis zu 6 W/mK

www.coolpolymer.com

Handelsname - CoolPoly - Reihe E, D

 - Reihe E - wärmeleitfähig und elektrisch leitfähig
 - Reihe D - wärmeleitfähige, dielektrische Kunststoffe - Isolatoren, spezifischer elektrischer Widerstand 1E12 bis 1E16 ohm cm
 - Matrix für beide Reihen - PP, PPA, PA, PPS, LCP, TPE
 - Wärmeleitfähigkeit von 1 bis 100 W/mK, meist 1 bis 20 W/mK, d. h. 5- bis 100-mal höher als bei herkömmlichen Kunststoffen

Handelsname - CoolPoly LED Series Thermally Conductive Plastics - TCP

 - für die Herstellung von Kühlkörpern für LED-Beleuchtungssysteme bestimmt - Gewichtseinsparung von bis zu 50 % gegenüber Aluminiumkühlkörpern

Das Unternehmen CoolPoly hat einen hochwärmeleitfähigen Werkstoff in seinem Portfolio, dessen Bezeichnung lautet:  spritzgießfähiges Metall, d. h. ein als Granulat gelieferter Werkstoff, der sich auf herkömmliche Weise in üblichen Spritzgießwerkzeugen verarbeiten lässt.

Handelsname - Xyloy M 950 Injection Moldable Metal

 - der Werkstoff kann aufgrund seiner Eigenschaften Leichtmetalllegierungen und deren Verarbeitung im Druckgussverfahren ersetzen
 - zum Vergleich: Xyloy hat eine Dichte von 4, 9 g/1E  - 3 g und einen Wärmeleitkoeffizienten Lambda von 110 W/mK, eine Schwindung von 0, 5 %, Al-Legierungen 2, 7 g/ 1E  - 3 g, Lambda 95 W/mK, Zn-Legierungen 6, 6 g/1E  - 3 g, Lambda 133 W/mK, Mg-Legierungen 1, 8 g/1E  - 3 g, Lambda 50 W/mK.

www.polyone.com  

Handelsname - THERMA - TECH

 - wärmeleitfähig, elektrisch leitfähig sowie nichtleitend
 - selbstverlöschend, V - 0, PPS
 - nicht selbstverlöschend - PA 66
 - Wärmeleitfähigkeit bis zu 21 W/mK

Zur Orientierung nenne ich Richtpreise bei einer Abnahmemenge von 1 000 kg Granulat - grobe Schätzung:

 - PA 66 - beide Leitfähigkeiten - 6, 90 EUR/kg
 - PPS - beide Leitfähigkeiten - 10, 70 EUR/kg
 - PA 66 - wärmeleitfähig, Isolator - 35, 30 EUR/kg
 - PPS - wärmeleitfähig, Isolator - 39, 50 EUR/kg

Die Werkstoffe von PolyOne verwendet das finnische Unternehmen www. kruunutekniikka. fi beziehungsweise dessen Geschäftsbereich Coolics, www. coolics. fi, zur Herstellung von LED-Systemen.

www.premixgroup.com

Handelsname - PRETHERM TPE

 - Matrix - thermoplastische Elastomere (TPE), wärmeleitfähig, elektrisch isolierend
 - Füllstoff - Bornitrid

www.sabic - ip.com

Handelsname - LNP KONDUIT

 - Matrix - PP, PPS, PA 6, PA 66, PA GF


Elektrisch leitfähige Thermoplaste

Elektrisch leitfähige Thermoplaste werden in allen Varianten hinsichtlich Leitfähigkeit, Abschirmung, elektromagnetischer Verträglichkeit, antistatischer Eigenschaften und Explosionsschutz, als massives Bauteil oder als Beschichtung, insbesondere bei der Konstruktion und Herstellung verschiedener Arten von Steckverbindern, Bauteilen für leistungselektronische Geräte, Fahrzeugbeleuchtungssystemen, Fahrzeugkraftstoffsystemen, Geräten der Informationstechnologie, in der Medizintechnik, in Computern, in Mobiltelefonen usw. eingesetzt.

Die Vorteile von Spritzgussteilen aus diesen Werkstoffen sind denen wärmeleitfähiger Werkstoffe sehr ähnlich, die sich in vielen Fällen selbstverständlich auch für Anwendungen elektrisch leitfähiger Werkstoffe einsetzen lassen.

Abb.: Prototyp eines spritzgegossenen Kunststoffrings mit Magneten. Einige der 16 Magnetpole sind hinter der Flux-Detektorfolie sichtbar, Foto: BARLOG plastics GmbH

Je nach den an die Formteile (Spritzgussteile) gestellten Anforderungen kann aus einer relativ breiten Palette angebotener Bereiche des spezifischen Oberflächenwiderstands gewählt werden. Der übliche Bereich der Oberflächenresistivität für den Ersatz metallischer Werkstoffe durch Kunststoffe liegt zwischen ca. 1E11 und ca. 1E 1 Ohm. Dieser einstellbare Bereich wird durch den in den Verbundwerkstoffen verwendeten Füllstoff bestimmt.

Die geringste Schirmwirkung haben Kohlenstofffasern, gefolgt von Edelstahlfasern; die höchste Schirmwirkung erzielen vernickelte Kohlenstofffasern.  

Im Bereich des Oberflächenwiderstands von ca. 1E 14 bis ca. 1E 12 sprechen wir von Isolierwerkstoffen, für antistatische Werkstoffe lässt sich ein Bereich von ca. 1E 12 bis 1E 9 definieren, dissipative elektrisch leitfähige Werkstoffe weisen einen Bereich von ca. 1E 9 bis ca. 1E 5 auf und leitfähige Werkstoffe von ca. 1E 4 bis ca. 1E  - 2, EMI/RFI 1E 4 bis 1E 1. In der Literatur zur elektrischen Leitfähigkeit von Kunststoffen finden sich auch andere Widerstandsbereiche.

Metallische Werkstoffe haben einen Oberflächenwiderstand im Bereich von ca. 1E  - 1 bis ca. 1E  - 5, übliche Kunststoffe von 1E 12 und höher.

Beispiele für typische Werte des Oberflächenwiderstands  - Ohm - in Abhängigkeit vom Füllstoff:

 - POM - Leitruß - 1E 3
      - Kohlenstofffaser - 1E 2
 - PA 66 - Leitruß - 1E 5
       - Kohlenstofffaser - 1E 2
 - PA 6 - Kohlenstofffaser - 1E 4
      - Metallfaser - 1E 5
 - PA 12 - Leitruß - 1E 6
       - Kohlenstofffaser - 5 E 1
 - PPA - Kohlenstofffaser - 1E 2.  

Neben den oben genannten Anwendungsmöglichkeiten zur Nutzung elektrisch leitfähiger Eigenschaften können Granulate und Konzentrate auch zur Verbesserung der physikalisch-mechanischen Eigenschaften der Matrizes eingesetzt werden.

Füllstoffe werden insbesondere zur Erhöhung der Steifigkeit und Festigkeit von Bauteilen eingesetzt, beispielsweise bei Tennisschlägern, Golfschlägern, Hockeyschlägern, Fahrradrahmen, Segelsportausrüstung, Bauteilen für Windkraftanlagen usw.

Einige Konzentrattypen werden auch bei der Beschichtung metallischer Werkstoffe eingesetzt - CCVD-Technologie - Cataly - Chemical Vapor Deposition - im Wirbelbett.


Beispiele für elektrisch leitfähige Thermoplaste

www.barlogplastics.de

Handelsname - KEBABLEND/EC

 - Matrix - teilkristalline Thermoplaste, beispielsweise PP, PA
 - Füllstoff - Leitruß, Kohlenstofffasern, Metallpulver, Metallfasern
 - Anwendung - je nach Matrix und Füllstoff - zur Oberflächenbehandlung - beispielsweise Pulverbeschichtung, Vermeidung statischer Entladungen, Explosionsschutz usw.

www.graphistrength.com

Neben kommerziell angebotenen Granulaten mit elektrisch leitfähigen Eigenschaften sind auf dem Markt auch Konzentrate erhältlich, die nach der Dispergierung in der Polymerschmelze der Basismatrix ESD-Eigenschaften verleihen.

Konzentrate insbesondere auf Basis mehrwandiger Kohlenstoffnanoröhren, geeignet für Matrizes aus PA 12, PA 6, PA 66, PC, PE, PP, PS, ABS, PC/ABS, PVC - Dosierung 15 bis 30 %.

www.polyone.com

Handelsname - STAT - TECH, Static Dissipative and Conductive Compounds

 - Matrix - ABS, POM, PA 6/12, PA 12, PA 6, PA 66, LCP, PC, PC/ABS, PEI, PP, PA GF
 - Füllstoff - Kohlenstoffpulver, Kohlenstofffaser, vernickelte Kohlenstofffaser, Metallfasern

www.premixgroup.com

Handelsname

PRE - ELEC - Oberflächenwiderstand 1E 5 bis 1E 8 Ohm

 - Matrix - PP, PP GF, PS, PE - HD, PE - LD, PA 6, ABS, PC, PC/ABS, TPE - SEBS
 - Füllstoff - Kohlenstofffaser
 - Gehalt 40 bis 50 %

PRE - ELEC ESD - Oberflächenwiderstand 1E 8 bis 1E 12 Ohm

 - Granulat - PP, HI PS, ABS, MABS, PC/ABS
 - Konzentrat für - PP, ABS, PE

PREPERM - Antennen- und Steckverbinderanwendungen, für Hochfrequenzfelder, weisen eine hohe Dielektrizitätskonstante auf

PRESEAL TPE - hohe elektrische Leitfähigkeit, Füllstoff - Silber, vernickelter Graphit

www.rtpcompany.com

 Liefern:
 - antistatische Werkstoffe - Widerstand 1E 10 bis 1E 12
 - statisch dissipative Werkstoffe - Widerstand - 1E 6 bis 1E 12
 - elektrisch leitfähige Werkstoffe - Widerstand - 1E 1 bis 1E 6
 - EMI/RFI - Widerstand - 1E 1 bis 1E 4

www.sabic-ip.com

Handelsname - LNP FARADEX - ESD, EMI/RFI, elektrisch leitfähige Werkstoffe

 - Matrix - ABS, PC, PC/ABS, PP, PE, PS
 - Füllstoff - Edelstahlfasern

In einigen Fällen können metallische Füllstoffe nicht nur zur elektrischen Leitfähigkeit von Verbundwerkstoffen eingesetzt werden, sondern ihre Eigenschaften lassen sich auch zur Kennzeichnung nutzen, d. h., um beispielsweise mit einem Metalldetektor festzustellen, dass sich das betreffende Material im überwachten System befindet.
Ein Beispiel für solche Werkstoffe ist KEBABLEND/D der Firma BARLOG plastics GmbH. Matrix - PP, PA, PBT, ABS, Füllstoff - Metallpulver.
Anwendung - Maschinenbauteile in der Lebensmitteltechnik, Medizintechnik, Verpackungshilfsmittel usw.

1. Teil »

2. Teil »

• Die Fortsetzung des Artikels wird am 3.11.2014 veröffentlicht.